Станции на основе параболоидных концентраторов

В США этот тип станций называют «Distributed Power Generation». Суть их состоит в том, что в оптических фокусах параболоидных концентраторов устанавливают любой высокотемпературный преобразователь, например двигатели Стирлинга, газовые или паровые турбины. Исходной посылкой этого направления является то, что параболоидные концентраторы являются самыми высокопотенциальными оптическими устройствами, позволяющими достигать в фокусе концентрации порядка 10⁶ и температуры до 3000 °C. Представление об этом направлении можно получить по рис. 10.6.

Рис. 10.6. Солнечные установки с двигателями Стирлинга на основе параболоидных концентраторов.

Установки этого класса показали высокие значения по КПД, но не получили широкого распространения из-за высокой стоимости вырабатываемой энергии.

Недостатки солнечных электростанций с тепловыми циклами преобразования

Проблемы солнечных электростанций башенного типа

Анализ проводится для двух типов станций: Solar Two (США) и Phoebus, прототип которой TSA успешно испытан в Испании. Характеристики СЭС Solar Two (США), достигнутые и планируемые для коммерческого использования, приведены в табл. 10.4.

Таблица 10.4

Технические характеристики СЭС Solar Two.

Окончание табл. 10.4

Таблица 10.4 показывает, что приемлемые коммерческие характеристики станции еще не достигнуты. Следует обратить внимание на характеристики эффективности собирания светового потока полем гелиостатов на приемнике излучения и стабильности их работы. Первая характеристика определяет изменение коэффициента отражения зеркал при разных положениях в пространстве, в настоящее время эта величина составляет 61%, в то время как коэффициент отражения зеркал составляет 94%, т. е. только этот фактор создает потери 21%.

Второй фактор, связанный только с полем концентраторов, состоит в вероятности безотказной работы гелиостатов и составляет 94%. Отказы в работе гелиостатов определяются тем, что каждый гелиостат является автономным сложным механизмом, работающим по своей индивидуальной программе, поэтому вероятны отказы в работе системы автоматики, механизмов привода, датчиков ориентации. Таким образом, только потери, связанные с концентрирующей системой, составляют 0,61 • 0,94 = 0,57.

Недостатки солнечных электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами

Можно отметить следующие недостатки данных СЭС.

• 1. Изменяющаяся мощность станции в зависимости от высоты положения Солнца. Концентраторы расположены почти горизонтально к поверхности земли (уклон 3° от севера к югу), поэтому при низком положении Солнца на концентраторах и на стеклянном приемнике возникают значительные не работающие затененные зоны и френелевские потери при входе и выходе излучения из стекла. В результате при коэффициенте отражения зеркал 94% эффективность концентрирующей системы составляет 68%.
• 2. Невозможность поднять температуру выше 400—500 °С, так как на действующих образцах станции достигнута концентрация более 70 крат, что близко к предельно допустимой (100 крат) для параболоцилиндров.
• 3. Проблема очистки концентраторов. Очистка с помощью моечных машин имеет много недостатков, в том числе некачественная очистка, большой расход воды и т. п. (см. рис. 10.5).

Недостатки солнечных электростанций с параболоидными концентраторами

• 1. Для набора больших мощностей необходимо объединять большое количество маломощных установок, что увеличивает вероятность отказов в работе.
• 2. Сложная и дорогая технология изготовления параболоидных концентраторов.
• 3. Необходимость точного наведения в прицельное положение концентраторов.

В табл. 10.5 приведено сравнение различных типов СЭС.

Таблица 10.5

Сравнение параметров всех трех типов станций.

Выводы по главе 10

Концентрирующие системы для башенных и параболоцилиндрических (ПЦ) СЭС имеют переменный коэффициент оптической эффективности в зависимости от положения Солнца, так как при этом меняется оптический путь в стеклах гелиостатов и ПЦ концентраторов и изменяются френелевские потери светового потока. Этот недостаток отсутствует для концентраторов с параболоидными поверхностями, так как они всегда направлены перпендикулярно падающему потоку.

Башенный вариант станции имеет дополнительные потери от ветра на открытых поверхностях приемника излучения, что уменьшает его эффективность.

СЭС с ПЦ концентраторами, например SEGS IX, имеет длину приемников излучения, равную 84 020 м, что даже при вакуумной изоляции приемников излучения создает излишние тепловые и гидравлические потери.

Станции типа SEGS имеют низкую концентрацию порядка 70, вследствие чего температура теплоносителя 393 °C и КПД турбины на уровне 37,6%, в то время как для башенных вариантов температура пара 540 °C имеет КПД 39,4%.

Следует отметить трудоемкость и большую стоимость изготовления параболоидов больших диаметров.

Единичные модули имеют относительно малую мощность, в результате чего требуется большое количество установок для набора мегаваттных мощностей, что уменьшает надежность работы всей станции.

Кроме того, компоновка этих установок, когда турбина или двигатель Стирлинга расположены на высоте 10 и более метров в фокусе концентратора и установлены на вынесенных штангах, предполагает необходимость принимать меры дополнительной балансировки.

Все перечисленные концентрирующие системы относятся к «открытому» типу, т. е. поверхности концентраторов и приемников открыты всем атмосферным воздействиям, в том числе загрязнению и потере светопропускания.